表面等离子体激元光波导的耦合特性研究

摘要

近年来由于衍射极限的限制，传统介质集成的光学器件在小型化、集成化发展方向上遇到了瓶颈，而表面等离子激元波(SPP)恰恰可以把电磁场高度限制在金属和介质的分界面处，从而突破衍射极限。因此，表面等离子激元在未来的纳米光子器件、纳米光电集成芯片等领域的巨大潜力，它正越来越受到人们广泛的重视。
　　 由于SPP波导的损耗远远大于介质波导，因此尽可能考虑使用介质波导，必要处考虑使用SPP波导，把介质波导和SPP波导集成在一个系统中，是提高集成度，缩小器件尺寸的好办法。因此，优化介质波导与SPP波导的耦合效率十分重要，而耦合效率与两种波导的耦合结构有关。
　　 论文首先概述了表面等离子激元的基本概念和发展史，介绍了表面等离子激元的基本电磁场理论和表面等离子激元的基本传播特性以及其激发方法。
　　 在第三章中总结了表面等离子体体激元光波导的数值分析方法，给出了二维情况下电磁场的FDTD形式，介绍了金属的罗伦茨-德鲁德模型以及几种所用金属的参数。
　　 第四章从直接耦合器开始，讨论了理想情况下具有空气间隙的耦合器在入射光波长为580nm-1600nm范围的耦合效率。研究了具有空气间隙的耦合器在同时具有输入和输出端，构成F-P腔效应结构时的耦合效率。接着又对介质波导与Ag/SiO2/Ag SPP光波导的耦合器进行讨论，得出了耦合效率最有优势的耦合器结构：渐变型二氧化硅间隙的从Air/Si/Air介质波导到Ag/SiO2/Ag金属波导结构。最后讨论介质波导与介质/金属/介质SPP波导的耦合，提出了改进的基于渐变尺寸的介质波导与SPP波导的耦合方式。
　　 第五章我们设计了基于介质/金属/介质SPP波导芯层折射率调制和芯层宽度调制的SPP波导光栅，详细分析了这两种光栅的波导参数、光栅参数与SPP波导光栅光谱特性的关系。